预应力混凝土的基本概念及材料

第十二章预应力混凝土结构的基本概念及其材料 Basic Concept and Materials of PC Structure本章主要内容：Ÿ预应力混凝土结构的概念、特点、分类；Ÿ预应力度、消压弯矩、全预应力混凝土结构、部分预应力混凝土结构的基本概念；Ÿ预应力混凝土结构的基本工作原理；Ÿ先张法和后张法的施工工艺、相同和不同点；Ÿ预应力混凝土结构对混凝土、预应力钢筋的要求；Ÿ锚具的分类及其受力原理；Ÿ预应力混凝土结构的三种概念的内涵。一、钢筋砼结构的缺点①需要带裂缝工作(使构件刚度下降，不能应用于不允许开裂的结构中)②无法充分发挥高强度钢筋及高标号混凝土的作用；二、预应力混凝土的基本概念§12.1概述+ 以后张法简支梁为例1.上面的算例说明：１、由于预先给混凝土梁施加了预压力Ｎｙ，使混凝土梁在均布荷载ｑ作用下，下缘产生的拉应力完全或部分被预压应力所抵消，因而可以避免混凝土出现裂缝或推迟裂缝出。２、钢筋始终处于高应力状态，故必须采用高强钢筋；混凝土应力也很大，同样必须采用高强混凝土。 2.预应力混凝土结构通过张拉钢筋等手段，事先对混凝土施加应力，以期抵销或部分抵消使用荷载产生的应力，这种混凝土（结构）就称为预应力混凝土（结构）。3.预应力混凝土结构优缺点优点：（１）提高了构件的抗裂度和刚度。（２）增强结构耐久性（durability）。（３）采用高强材料，节约材料，降低造价，加大适用跨度。（４）结构质量安全可靠。（５）能促进桥梁新体系的发展。缺点：（１）工艺较复杂，对质量要求高。（２）需要有一定的专门设备。（３）预应力反拱不易控制。（４）设计要求高。4.预应力混凝土的分类短期效应组合下截面不出现拉应力全预应力混凝土构件短期效应组合下截面出现拉应力甚至开裂部分预应力混凝土构件全预应力部分预应力：A类 B类按预应力度分张拉钢筋并在台座上固定浇注混凝土构件混凝土强度达设计强度的70%以上时剪断钢筋浇混凝土构件，并在构件中预留孔道在构件中预留孔道中穿钢筋并张拉锚固灌浆先张法后张法按施工工艺分有粘结预应力混凝土先张法生产的预应力混凝土构件以及后张法张拉钢筋后在孔道中灌浆所生产的预应力混凝土构件特点受力性能好，裂缝分布均匀，裂缝宽度较小有粘结预应力混凝土无粘结预应力混凝土按有无粘结分体内预应力混凝土体外预应力混凝土按预应力钢筋位置分5. 张拉钢筋的方法 *直接张拉法：用千斤顶等机械工具直接张拉预应力钢筋 *电热法：低电压强电流通过钢筋使其发热伸长，达设计要求时断电 *连续配筋法：用旋转工作台将预应力筋缠绕于混凝土块体上或水池壁上 *自张法：用自应力水泥制成混凝土，结硬时混凝土膨胀带动混凝土中的钢筋一起伸长，在混凝土中产生压力 *直接加压法：用千斤顶直接在构件两端加力使其获得预压力6.预应力原理在日常生活中的应用Ø木桶是用环向竹箍对桶壁预先施加环向压应力。当桶中盛水后，水压引起的拉应力小于预压应力时，桶就不会漏水。Ø从书架上取下一叠书，由于受到双手施加的压力，这一叠书就如同一横梁，可以承担全部书的重量。Ø木锯是利用预拉力来抵抗压力预先拧紧另一侧的绳子使锯条预先受拉，如预加拉力大于锯木时产生的压力，锯条就始终处于受拉状态，不会产生压曲失稳。一、先张法（pretensioningmethod）：§12.2预加应力的工艺与设备1、先张法工艺流程图2、定义先张法是先张拉钢筋，后浇筑构件混凝土的方法。先张法所用的预应力钢筋，一般可用高强钢丝、直径较小的钢铰线和小直径的冷拉钢筋。3、特点靠钢筋和混凝土之间的粘结力来传递和保持预应力。4、优点：先张法生产工艺简单、工序少，效率高、质量容易保证，适宜工厂化大批量生产。5、缺点：需要专门的张拉台座，基建投资较大。先张法一般宜于生产直线配筋的中小型构件。二、后张法（posttensioningmethod）1、后张法工艺流程图2、定义先浇筑混凝土后张拉钢筋的方法。张拉钢筋的同时，构件混凝土受到预压。3、特点后张法主要是靠锚具传递和保持预加应力的。4、优点：后张法不用加力台座，张拉设备简单，便于现场施工，是生产大型预应力混凝土构件的主要方法。预应力钢筋可按照需要布置成合理的曲线形。三、锚具1、概念锚具是在制作预应力混凝土构件时锚固预应力筋的一种装置。2、对锚具要求：（１）锚具受力安全可靠；（２）预应力损失小；（３）构造简单，制作方便，用钢量少，价格便宜；（４）施工设备简便，张拉锚固方便迅速。3、锚具的分类（1）依靠摩阻力锚固的锚具；如锥形锚、夹片式群锚、JM锚（2）依靠承压锚固的锚具；如镦头锚、钢筋螺纹锚（3）依靠粘结力锚固的锚具；如先张法的筋束锚固、后张法固定端的钢绞线压花锚具4、几种常用的锚具锥塞式锚具镦头锚具夹片式锚具l锥形锚其工作原理是通过张拉钢束时顶压锚塞，将预应力钢丝卡在锚圈与锚塞间，当张拉千斤顶放松预应力钢丝后，钢丝向梁内回缩时带动锚塞向锚圈内楔紧，这样预应力钢丝通过摩阻力将预应力传到锚圈，然后由锚圈承压，将预加力传到混凝土构件上。l镦头锚其工作原理：先将钢丝逐一穿过锚杯的蜂窝眼，然后用专门的镦头机将钢丝端头镦粗，借镦粗头直接承压将钢丝固定于锚杯上。锚杯的外圆车有螺纹，穿束后，在固定端将锚圈（螺帽）拧上，即可将钢束锚固于梁端。在张拉端，则先将与千斤顶连接的拉杆旋入锚杯内进行张拉，待锚杯带动钢筋或钢丝伸长到设计需要时，将锚圈沿锚杯外的螺纹旋紧顶在构件表面，再慢慢放松千斤顶，退出拉杆，于是钢丝束的回缩力就通过锚圈、垫板，传到梁体混凝土上而获得锚固。四、预应力张拉机具系列五、工程橡胶支座及伸缩缝系列一、混凝土材料2、预应力混凝土结构中常用混凝土强度等级《公路桥规》规定：预应力混凝土构件的混凝土强度等级不应低于C40。§12.3预应力混凝土结构的材料1、对混凝土的要求①强度高②收缩、徐变小③快硬、早强二、预应力钢筋 2、预应力钢筋的类型高强度钢丝；钢绞线；精轧螺纹钢筋。普通钢筋类型：光圆钢筋R235，带肋钢筋HRB335、 HRB400和KL400 1、对预应力钢筋的要求①强度高②塑性好③粘结性能好④应力松弛低一、预应力混凝土结构的分类：Ø按照钢筋与砼之间的粘结情况分：有粘结预应力结构和无粘结预应力结构。Ø按照钢筋是否布置在砼截面内分：体内预应力砼结构和体外预应力砼结构。§12.4预应力混凝土结构的三种概念二、体内有粘结预应力砼结构的三种基本概念1、预加应力的目的是将砼变成弹性材料：预加应力的目的只是为了改变混凝土的性能，变脆性材料为弹性材料。这种概念认为预应力混凝土与普通钢筋混凝土是两种完全不同的材料，预应力钢筋的作用不是配筋而是施加预压应力以改变混凝土性能的一种手段。如果预压应力大于荷载产生的拉应力，则混凝土就不承受拉应力。这种概念要求将无应力或零应力作为预应力砼设计准则。这样可以用材料力学公式计算砼的应力、应变和挠度、上拱，并在需要时可采用叠加原理，计算十分方便。1）预压力F作用在预应力钢筋的重心处，作用线通过截面的重心。 c — — — — — — — — — — —— — — 同轴预应力钢筋（力＝F）截面重心线a）b）c）d） c ( FA I Mc M I y F A c M I- ) )- I My A F (+ )+ I Mc A F ( 图12-15同轴预应力混凝土截面的应力分布a)受预加力及外荷载作用的梁b)预压力F作用的应力c)外弯矩M作用的应力d)F及M共同作用的应力由于预压力F的作用，在面积为A的截面上将产生一均匀压应力为如果M为梁上荷载及自重在某一截面处所引起的外弯矩，则该截面任意一点处由M引起的应力为叠加后的应力分布表示为 F As= My Is= FMy AIs=±2）如果预应力钢筋偏离混凝土截面重心布置 c c — — — — — — — — — — — — — — — — — — — — — — — — 偏心预应力钢筋ea）b）c）d）e）+- F A I F M I y ec ey F I cI M A F ec F I M I c ) ( ( ) yI M I Fey F A-++-+- A F ec F I I c ) ( M 截面重心线图12-16偏心预应力混凝土截面的应力分布a）偏心预应力及加外荷载的梁b）预压力F轴压作用下的应力c）预压力偏心矩作用下的应力d）外弯矩M作用下的应力e）偏心预压力及外弯矩共同作用下的应力预压力产生的弯矩Fe在混凝土截面上任意一点处引起的应力为而叠加后的应力表示为 FeyIs= FFeyMy AIIs=±±3）预应力钢筋是弯曲的或弯折的［图12-17a）］。a）b）预应力钢筋重心线截面重心线预应力钢筋重心线预应力钢筋重心线 C=F F A e e F C=F 预拉力压力 A A 压力预拉力截面重心线预应力钢筋重心线 A a）b）图12-17常高度预应力简直梁图12-18不等高度预应力混凝土简支梁a）预应力梁b）隔离体a）预应力梁b）隔离体偏心力F在混凝土内引起的应力为所以，预应力在任一截面处引起的混凝土应力仅取决于F在该截面处的大小和位置，而与预应力钢筋沿梁在其他纵断面上的位置无关。l作用：有助于预计开裂的程度 FFey AIs××=±2、施加预应力的目的是使高强度钢筋和砼能够共同工作将预应力砼看作是高强钢筋与砼两种材料组成的一种特殊的钢筋砼。预先将预应力钢筋张拉到一定的应力状态，在使用阶段预应力钢筋的应力（应变）增加的幅度较小，砼不开裂或裂缝较细，这样高强钢筋就可以与砼一起正常工作。b）a） C T C T 图12-19预应力混凝土梁和钢筋混凝土梁的内部抵抗力矩a）钢筋混凝土梁的隔离体b）预应力混凝土梁的隔离体b）a）图12-20采用高强度钢筋的混凝土梁a）普通钢筋的—— 裂缝及过度的挠度b）预应力的—— 无裂缝及很小的挠度根据这种观点，可以得出预应力混凝土和钢筋混凝土之间的基本相似性。这样，就可以大大简化预应力结构的设计和计算。同时，根据两者的相似性，可以将预应力钢筋与普通钢筋作等强代换，减少用钢量，这在很多情况下是经济可行的。l作用：主要是评定抵抗破坏的安全性。3、预加应力的目的是实现荷载平衡预加应力可认为是对混凝土构件预先施加与使用荷载相反的荷载以抵消部分或全部工作荷载，使受弯构件（如板、梁及主梁）在给定的荷载条件下不受挠曲应力。这就能把一挠曲构件转换成一受轴向力的构件，大大简化结构的设计和计算。用荷载平衡的概念调整预应力与外荷载的关系，概念清晰，计算简单。应用这个概念，要求以混凝土为分离体并且用一些力来代替预应力钢筋沿跨度的作用。l作用：常常是计算挠度的最佳方法。例如，一采用抛物线形预应力钢筋的简支梁b)a) h 抛物线形预应力钢筋均匀荷载 L 图12-21具有抛物线力筋的预应力梁a）配抛物线形预应力钢筋的预应力梁b）把混凝土看作分离体a)b)图12-22具有抛物线力筋的预应力梁配弯折形预应力钢筋的预应力梁b）把混凝土看作分离体，用力来代替预应力钢筋作用a）上述三种概念表达了理解预应力混凝土结构的三种观点，它们在分析和设计预应力混凝土时都是有用的。第一种概念有助于预计开裂的程度；第二种概念主要是评定抵抗破坏的安全性；第三种概念常常是计算挠度的最佳方法。小结l深刻认识预应力混凝土结构的概念、工作原理与实施；l深刻认识预应力混凝土结构设计、施工中的一些关键问题、难点内容，注意事项；l熟悉预应力混凝土结构所用材料的要求与实施；l掌握预应力混凝土结构预加力的方法。